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Verfahren zur Feststellung der Lage von Gegenständen mittels Schallwellen
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Feststellung der Lage eines Gegenstandes
von einem bestimmten Beobachtungspunkt aus mit Hilfe von reflektierten Schallwellen.
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Soiche Echoverfahren sind bereits mehrfach bekannt und werden besonders
bei der Schiffahrt bei unsichtigem Wetter zur Feststellung von entgegenkommenden
Fahrzeugen und von anderen im Wege liegenden Hindernissen verwendet. Diese bekanntgewordWenen
Verfahren arbeiten dabei hauptsächlich in folgender Weise: Von einem Beobachtungsstand
aus werden Schallwellen ausgesendet, .die vom festzustellenden Gegenstand reflektiert
und von dem Beobachter wieder aufgefangen werden. Mit Hilfe des subjektiven Richtungsgefühls
des Menschen ist-es möglich, die Richtung festzustellen, aus der die reflektierten
Schallwellen kommen. Mittels geeigneter Geräte kann außerdem noch die Zeit gçmessen-
werden, die der Schall zu seinem Hin- und Rückweg braucht, woraus sich die Entfernung
des festzustellenden Gegenstandes von der Beobachtungsstelle ermitteln läßt: Den
bekannten Verfahren, die mit niedetfrequenten Schallwellen arbeiten, haften verschiedene
Mängel an. Sie erfordern beispielsweise große Schallsender und -empfänger, was die
Bewegungsmöglichkeit und die Operationsfähigkeit der gesamten Anordnung wesentlich
beeinträchtigt. Außerdem haben niederfrequente Schallwellen verhältnismäßig große
Wellenlängen, was den Nachteil mit sich bringt, daß die ausgesendeten Wellen iiber
kleine angezielte Gegenstände hinweggehen, und zwar nahezu ohne jede Reflexion an
den Oberflächen dieser Gegenstände. Ein weiterer Nachteil der bisher bekanntgewordenen
Echoverfahren mit niederfrequenten Schallwellen ist darin zu sehen, daß die Schallwellen
an Gegenständen, deren Oberfläche unregelmäßig ist und deren Hauptkontur unter einem
spitzen oder stumpfen Winkel: zu der Verbindungslinie vom Schailsender und Gegenstand
liegt, -in einer Richtung reflektiert werden, die von dieser Verbindungslinie abweicht,
was zur Folge hat, daß die reflektierten, vom Empfänger aufgefangenen Schallwellen
nur eine geringe Stärke aufweisen.
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Besonders unangenehm machen sich bei den bekannten Verfahren Störgeräusche
bemerkbar, weil die Frequenz dieser Störgeräusche meistens annähernd in der Größenordnung
der Frequenz der ausgesendeten
Wellen liegt, so daß es nicht möglieh
ist, die Störfrequenzen auszusieben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Heinrich tung zu beschreiben und
ein Verfahren anw zugeben, durch welche alle obengenanntën Nachteile beseitigt werden.
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Dies geschieht gemäß der Erfindung durch ein Echolotverfahren, bei
dem das Echo des ausgesendeten Schalles durch Beeinflussung des Richtungsgefühls
des Beobachters zur subjektiven Richtungsbgstimmung dient, derart, daß gleichzeitig
von zwei oder mehr als zwei Schallsendern Schallwellen verschiedetier Frequenz ausgesandt
werden, die sämtlich als Echowellen und nach der Reflexion mit ihren Differenztönen
zum Überlagerungsempfang dienen.
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Die aus der Physik bekannte Erfahrung, daß man durch nahe benachbarte
Wellenfrequenzen Schwebungen erzeugen kann, deren Schwebungsfrequenz gleich der
Differenz der sekundlichen Schwingungszahlen der verwendeten Wellen ist, hat man
bereits auf dem Gebiete des drahtlosen und akustischen Signalwesens dazu ausgenutzt,
um unhörbare Sendewellen am Empfangsgerät in Form eines hörbaren Tones zur Erscheinung
zu bringen, wobei man bei der akustischen Signaleinrichtung derart verfahren hat,
daß man am Sendeort entweder zwei oberhalb der Hörgrenze liegende Töne aussandte
und am Empfangs ort diese dann zur Wirkung auf einen gemeinsamen Anzeigeapparat
brachte, welcher die entstehenden Schwebungen in hörbaren Tönen wiedergibt, oder
daß man vom Sendeort aus eine oberhalb der Höchstgrenze liegende Schallfrequenz
aussandte, während eine zweite von dieser wenig abweichenden Welle am Empfangsort
selbst erzeugte und diese beiden wiederum zum Schwebungsempfang vereinigte. Dieses
bekannte Verfahren war jedoch, wie bereits angeführt, lediglich für Signalzwecke
gedacht und nicht dazu bestimmt, die Lage von Gegenständen mittels Schallwellen
zu ermitteln.
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Es ist nun durch die amerikanische Patentschrift 1 3-85795 ein .
Echolotverfahren be-.kanntgeworden, bei dem das Echo zur binauralen Richtungspeilung
dient und bei dem auch unhörbare Schallfrequenzen verwendet werden. Dieses Verfahren
ist jedoch insofern für vorliegende Zwecke nachteilig, als die Verwendung derart
hoher Frequenzen für die subjektive Wahrnehmung in der geoffenbarten Weise nicht
geeignet ist.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird demgegenüber jedoch erreicht,
daß in einem einzigen Gerät die Vorzüge der Verwendung hoher Frequenzen, die sich
bekanntlich leichter biindeln lassen und auch bessere Reflexionseigenschaften besitzen
als tiefe Sdiallfrequenzen, für das eigentliche Anpeilen vereinigt werden mit den
Vorzügen der Aus--nutzung tiefer Schallfrequenzen für die subfiktive Wahrnehmung.
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Zunächst können niederfrequente Schallxvellen durch kleine Schallsender
erzeugt werden und durch kleine Schalltrichter in einer bestimmten Richtung geschickt
werden.
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Dies ermöglicht es, den Sender in seinen Ausmaßen zu verkleinern
und dadurch die Bewegungsmöglichkeit und Operationsfähigkeit des Gerätes zu vergrößern.
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Ein weiterer Vorteil beruht in der Tatsache, daß hochfrequente Töne
sich besser zur Reflexion an kleinen Gegenständen eignen.
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Während niederfrequente Schallwellen; wie bereits erwähnt, verhältnismäßig
große Wellenlängen besitzen und das Bestreben haben, kleine Gegenstände mit nur
geringerer Reflexion zu umgehen, werden hochfrequente Schallwellen mit großer Intensität
von den angezielten Gegenständen reflektiert, da Töne von hoher Frequenz Wellenlängen
besitzen, die in der Größenordnung der physikalischen Abmessungen der Gegenstände
liegen, die geortet werden sollen. Liegt der von den ausgesendeten Schallwellen
getroffeine Gegenstand mit seiner Hauptsache unter einem bestimmten, von 900 abweichenden
Winkel zur Verbindungslinie von Gegenstand und Beobachtungsstelle, so werden niederfrequente
Schallwellen in einer Richtung reflektiert, die von der Richtung der ausgesendeten
Wellen um so stärker abweicht, je stärker die Hauptsache des Gegenstandes -von der
Normallage.abweicht. Dieser Nachteil ist durch die Verwendung von hochfrequenten
Schallwellen beseitigt. Werden nämlldi hochfrequente Schallwellen mit kurzer Wellenlänge
gegen Gegenstände mit un regelmäßiger Oberfläche, die schräg zur Achse der Schallsender
liegen, gesendet, so werden die Wellen durch die-verschiedenen Teile der unregelmäßigen
Oberfläche nach allen Richtungen ungefähr in gleicher Stärke reflektiert. Somit
ist die Intensität der von einem Gegenstand reflektierten hochfrequenten Schallwellen
unabhängig von der Lage der reflektierenden Oberfläche und die Stärke der vom Beobachter
aufgefangenen Wellen größer als bei Verwendung von niederfre-(lunten Schallwellen.
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Bei Verwendung von hochfrequenten Schallwellen mit einer Periodenzahl
von I500 bis 5000 pro Sekunde ist es möglich, Störgeräusche, welche die scharfe
Aufnahmefähigkeit des Beobachters beeinträchtigen und die gewöhnlich niedrige Frequenzen
von 1000 Perioden pro Sekunde und weniger aufweisen, zu beseitigen. Dies geschieht
in der Weise, daß dem Empfangsgerät Filter
vorgeschaltet werden,
die zwar die hochfrequenten Signalschallwellen durchlassen, aber nicht niederfrequente
Störgeräusche.
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Dies stellt eine ungestörte Aufnahme der reflektierten Schallwellen
sicher.
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Aus dem bisher Gesagten ergibt sich, daß hochfrequente Schallwellen
als Signalwellen zur Feststellung der Lage eines Gegenstandes besser geeignet sind
als niederfrequente Schallwellen. Andererseits ist aber das subjektive Richtungsgefühl
des Menschen am größten bei niedrigen Frequenzen, und zwar bei solchen, die etwa
unter I500 Perioden liegen. Demgemäß ist es wünschenswert, auf den Beobachter niederfrequente
Schallwellen einwirken zu lassen, um das Richtungsgefühl des Menschen voll auszunutzen.
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Gemäß der Erfindung werden die erwähnten widersprechenden Fordserungen
dadurch erfüllt, daß eine Mehrzahl von hochfrequenten Schallwellen, deren Frequenzen
sich voneinander unterscheiden, veranlaßt werden, sich zu überlagern, und daß man
die Differenzfrequenzen, d. h. den Schwebungston, auf das Richtungsgefühl des Menschen
einwirken läßt. Auf diese Weise werden die Vorteile, welche die Verwendung von hochfrequenten
Schallwellen mit sich bringen, vereinigt mit dem Vorteil einer möglichst großen
und genauen Aufnahmefähigkeit des Beobachters.
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Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß bereits ein Verfahren bekanntgeworden
ist zum Zwecke der Echolotung, bei dem einem Ein richtung abhängig voil einem Strom
bestimmter Frequenz oder engen Frequenzbereichs zu betätigen ist, wobei dieser Strom
die Komponente eines Stromgemischs von größerem Frequenzbereich bildet, derart,
daß aus dem Stromgemisch gemäß eines Hilfsstroms oder einer Hilfsspannung ein Strom
abgeleitet wird, dessen Komponenten mit den 5 chwingungsfrequenzen aus der Frequenz
oder den Frequenzen des Hilfsstromes und den Frequenzen des Stromgemisches schwingen,
und daß aus dem so abgeleiteten Strom die gesuchte I(omponente mittels eines Filters
oder eines als Filter wirkenden Geräts abgenommen wird. Bei der Entstehung dieses
bekannten Verfahrens lag nicht die Aufgabe gemäß der Erfindung zugrunde, ein verbessertes
Echolotverfahren anzugeben, bei dem das Echo des ausgesandten Schalles durch Beeinflussung
des Richtungsgefühls des Beobachters zur subjektiven Richtungsbestimmung dient,
sondern die andersliegende Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich
ist, trotz Verwendung hoher Schall frequenzen mit einfachen Siebschaltungen auszukommen.
Es sollen also beim Vorbekannten die bei Verwendung höherer Meßfrequenzen auftretenden
Schwierigkeiten, bedingt durch Einschwingvorgänge, bei der Ausbildung der verwendeten
Siebschaltungen behoben werden.
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Wollte man nun in Anlehnung an das Bekam nute das Überlagerungsverfahren
zu einer solchen Echolotung verwenden, bei der das Echo des ausgesandten Schalles
durch Beeinflussung des Richtungsgefühls des Beobachters zur subjektiven Richtungsbestimmung
dient, d. h. würde man zur Lösung der Aufgabe der binauraleri. Peilung mittels hochfrequenter
Schallwellen so verfahren, daß außer der einen als Echowelle dienenden hocbfrequenten
Schallwelle fj noch eine zweite hochfrequente Schallwelle J2 gleichzeitig, aber
nicht sum reflektierenden Gegenstand, sondern nur zu den Empfängern ausgestrahlt
wird, um dort mit der Echowelle einen Überlagerungsempfang auszuführen, so wäre
mit dieser Maßnahme der Nachteil verbunden, daß die zweite hochfrequente Wellef2
in diesem Falle eine konstante Amplitude hätte, die mit der stark amplitudenveränderlichen
hochfrequenten Welle fj zu superponieren wäre.
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Die dabei entstehenden verschiedenell Aussteuerungen erschweren jedoch
in erheblidein Maße ein Abhören des Echos. Man müßte deshalb zusätzliche Mittel
vorsehen, um die beiden Amplituden in Abhängigkeit von der Entfernung ungefähr gleich
zu haben, diese Schwierigkeiten sind bei -der erfindungsgemä-13en Ausführungsform
nicht vorhanden.
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An Hand der Abb. I und 2 soll im folgenden die Einrichtung und Arbeitsweise
einer erfindungsgemäß ausgeführten Anlage beschrieben werden.
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Bei dem inAbb. I dargestellten, gemäß der Erfindung ausgeführten
Gerät sind mit I, 2 und 3 die Generatoren für die hochfrequenten Schallwellen bezeichnet,
mit 4, 5 und 6 die Schalltrichter zur Aussendung des Schalles in einer bestimmten
Richtung. Die Sclaallerzeuger sind in Form von Pfeilen gezeigt, die durch das Rohr
7 mit einem im Bild nicht dargestellten Preßlufterzeuger verbunden sind.
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Es ist selbstverständlich, daß auch irgendwelche andere geeigneten
Hochfrequenzschallsender, z. B. Sirenen o. dgl., Verwendung finden können. In der
Luftzuführungsleitung 7 ist zur Einstellung der Dauer der ausgesendeten Signale
ein Luftventil 8 mit einem Betätigungsorgang eingebaut. Eine geeignete Drehkupplung
IO verbindet die Luftzuführungsleitung v mit dem Peilungsgerät. Diese Drèhkupplung
gestattet es, daß das obere Rohr II, das die Schallsender trägt, mit Hilfe von Handgriffen
12 verdreht werden kann. Fest verbunden mit dem drehbaren Teil II ist der Empfangsapparat.
Dieser besteht aus den Trichtern I3 und 14,' die
den Schall auffangen
und ihn den Schallfiltern 15 durch die Rohre I6 zuleiten. Die Filter 15' sind am
Schallaustrittsende über biegsame Rohre I7 mit den Hörrohren I8 verbunden.
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Die Frequenz der Schallwellen, die durch die Generatoren 1, 2 und
3 ausgesendet werden, sollen von höherer Ordnung sein, und es hat sich gezeigt,
daß Frequenzen, die in einem Bereich von I500 bis 5000 Perioden in der Sekunde liegen,
ausreichend sind.
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Die Frequenz der Schallwellen, die durch den Generator 1 ausgesendet
werden, muß entweder größer oder kleiner sein als die Frequenz der Schallwellen,
die vom Generator 2 ausgesendet werden, und zwar um einen solchen Betrag, daß die
Interferenz-oder Differenzfrequenz der beiden Schall-. wellen noch innerhalb des
unteren Teiles des Hörbereiches liegt. Ver'suche haben ergeben, daß die Schwebungsfrequenz
von annähernd 500 Perioden ausreicht, um eine ausgezeichnete subj ektiveUnterscheidung
sicherzustellen.
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In ähnlicher Weise muß die Frequenz der Schallwellen, die vom Generator
3 erzeugt wird, verschieden sein von denjenigen der Generatoren I und 2. Es werden
beispielsweise Schallwellen von 2000, 2500 und 3000 Perioden pro Sekunde als Signalmedium
verwendet, wodurch Überlagerungsfrequenzen von 500, IOOO und I 500 Perioden pro
Sekunde entstehen. fielbstverständlich kann die Zahl der Überlagerungsfrequenzen
noch gesteigert werden, indem die ausgesendeten Grundfrequenzen sich um ungleiche
Beträge voneinander unterscheiden, oder dadurch, daß die Zahl der ausgesendeten
Grundfrequenzen erhöht wird. Versuche haben ergeben, daß durch eine Erhöhung der
Zahl der Oberlagerungsfrequenzen die Genauigkeit des subjektiven- Unterscheidungsvermögens
wesentlich gesteigert'wird.
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Die Wirkung der soeben beschriebenen Einrichtung ist am besten zu
verstehen an Hand der Abb. 2, wo gezeigt ist, daß die Schallwellen von den Sendetrichtern
4, 5 und 6 in einer bestimmten Richtung 19 gegen einen Gegenstand 20 gesendet und
von diesem reflektiert werden. Die Schallwellen werden von den Trichtern 4, 5 und
6 in kurzen Stölaien ausgesendet, die von dem Ventil 8 gesteuert werden und deren
Dauer kurz sein nluß mit Rücksicht auf die kurze Zeit, welche die Schallwellen von
den Trichtern bis zu dem nahegelegenen zu Gegenstand brauchen.
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Der Gegenstand 20 ist beispielsweise mit einer unregelmäßigen Oberfläche
dargestellt, deren Hauptrichtung 2I gegen die Linie 19 geneigt ist. Ein Teil der
Schallwellen, die von den SchallsendernI,.z und 3 längs der Linie 19 ausgesendet
werden, trifft die Oberfläche des Gegenstandes 20 und wird zu der Stellung- des
Beobachters 22 zurückgeworfen, wo sie von den Schalltrichtern I3 und 14 aufgefangen
werden. Es ist selbstverständlich, daß die Frequenzen der reflektierten Schallwellen
den Frequenzen der ausgesende ten Wellen entsprechen. Die Schallwellen, die in die
Trichter I3 und 14 gelangen, werden durch die Rohre I6 zu den Filtern 15 geleitet,
deren Aufgabe es ist, niederfrequente Schallwellen, die durch Störgeräusche erzeugt
werden, auszufiltern, jedoch die reflektierten hochfrequenten Schallwellen durchzulassen.
Die Filter haben also alle Frequenzen, die unter einem. bestimmten Wert liegen,
zu sperren, wobei der bestimmte Wert dem höchstfrequenten Anteil der Störgeräusche
entspricht.
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Die reflektierten Schallwellen der ver schiedenen Frequenzen, die
vom Beobachter gehört werden, umfassen die drei Grundfrequenzen, die Summenfrequenz
und die verschiedenen Schwebungs- oder Differenzfrequenzen. Der hohe Wert der Summenfrequenz
und der verschiedenen Grundfrequenzen sind von geringerer Bedeutung für die Beeinflussung
des Richtungsgefühls des Beobachters. Die Schwebungsfrequenzen der vorhandenen Grundfrequenzen
jedoch regen das Richtungsgefühl sehr genau und scharf an, da sie im unteren Gebiet
des hörbaren Bereiches liegen.
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Die Beeinflussung des Richtungsgefühl 5 des Beobachters durch die
Schwebungsfrequenzen der aufgefangenen Schallwellen erlaubt eine unmittelbare Feststellung
der Richtung, in der der Gegenstand liegt, von dem die Schallwellen reflektiert
werden. Bei der Lage der Horchtrichter, in der durch I3' angedeuteten Lage, erlçennt
der Beobachter unmittelbar, daß er die Horchtrichter um einen gewissen Winkel im
Uhrzeigersinn drehen muß, um sie genau auf die gesuchten Gegenstände auszurichten.
Bei dieser Drehung wächst die Stärke des aufgefangenen Schalles so lange, bis ein
Maximum an Intensität erreicht ist. In der Stellung, die dem Maximum entspricht,
schneidet eine Senkrechte zur vorderen Frontfläche der Schalltrichter die Stellung
des gesuchten Gegenstandes. Offensichtlich ist für die Genauigkeit der Richtungseinstellung
durch das subjektive Richtungsgefühl des Beobachters das Maximum der Intensität
der aufgefangenen Schallwellen maßgebend.
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Zur Anzeige der ermittelten Richtung kann das erfindungsgemäß ausgeführte
Gerät mit geeigneten Mitteln ausgerüstet werden, die beispielsweise aus einer stationären
Skala und einem mit dem drehbaren Luftzuführungsrohr II verbundenen Zeiger besteht.
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Desgleichen können irgendwelche bekannte Mittel vorgesehen werden,
mit denen die Entfernung zwischen dem Beobachter und dem Gegenstand gemessen werden
kann.
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Einer der Vorteile des verbesserten Verfahrens gemäß der Erfindung
ist darin zu suchen, daß die Intensität der reflektierten Schallwellen bei Hoch-
und Niederfrequenz verschieden ist, wie in Abb. 2 das Diagramm 24 für Niederfrequenz
und 23 für Hochfrequenz zeigt. Werden nämlich verhältnismäßig niedere Frequenzen
gegen den Gegenstand 20 gesendet, so werden die Schallwellen am stärksten längs
der in Abb. 2 gezeigten Linie 25 reflektiert. Die Intensität der reflektierten Wellen
in Richtung 25 sei durch den Vektor OA und die Intensität der in Richtung zum Beobachter
reflektierten Schallwellen durch den Vektor OB gegeben. Treffen jedoch verhältnismäßig
hohe Frequenzen auf die Oberfläche des Gegenstandes, dann verursacht die unregelmäßige
Kontur eine streuende Reflexion, so daß die Intensität in allen Richtungen ungefähr
die gleiche ist. Die längs der Linie 19 auftretende Schallintensität ist beispielsweise
durch den Vektor CC und die Intensität längs der Linie 25 durch den Vektor OD gegeben.
Es ist leicht zu beobachten, daß die Intensität der längs der Linie 19 verlaufenden
reflektierten Schall wellen bei hochfrequenten Schallwellen größer ist als bei niederfrequenten.
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Wie bereits erwähnt, hat die Verwendung von niederfrequenten Schallwellen
den Nachteil, daß die Wellenlänge der ausgesendeten -Wellen groß ist in bezug auf
die physikalischen Abmessungen des Gegenstandes, der festgestellt werden soll, so
daß die Schallwellen das Bestreben haben, an dem Gegenstand vorbeizustreifen nahezu
olirle jede Reflexion. Zur Veranschaulichung dieser Tatsache soll ein Zahlenbeispiel
angeführt werden. Die ausgesendeten Schallwellen sollen beispielsweise eine Frequenz
von 100 Perioden pro Sekunde haben, was einer Wellenlänge von etwa 3300 mm entspricht.
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Treffen diese Schallwellen nun auf einen Pfosten, der im Wege der
Schallwellen liegt und der einen Durchmesser von etwa 200 mm hat, so werden die
Schallwellen in ihrem Fortschreiten durch die in ihren Ausmaßen kleine versperrende
Oberfläche des Pfostens nur unbedeutend beeinflußt. Wenn jedoch Schallwellen mit
einer Frequenz von 3000 Perioden, was einer Wellenlänge von 110 min entspricht,
in derselben Richtung ausgesendet werden, dann ist dieselbe versperrende Oberfläche
groß genug, daß ein wesentlicher Anteil der Schallwellen den Pfosten trifft und
von seiner Oberfläche reflektiert wird.
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Die Einrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung kann, wie bereits
erwähnt,. besonder bei Schiffen Anwendung finden. Zu diesem Zwecke werden die Schallsende-
und -empfangsgeräte auf Bord aufgestellt und bei wunsichtigem Wetter in der Richtung,
in der das Schiff fährt, Schallwellen ausgesendet.
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Irgendwie reflektierte Wellen werden vom Empfangsapparat aufgefangen,
und auf diese Weise können Hindernisse, die im Wege des Schiffes liegen, leicht
festgestellt werden. Die Empfindlichkeit des Apparates ist so groß, daß Hindernisse,
wie z. B. kleine -Boote, Tauchbojen o. dgl., die im Pfad des Fahrzeuges liegen,
leicht entdeckt und umgangen werden können.